DC-Motor: Funktionsweise, Aufbau und Grundlagen

Was ist ein DC-Motor?

Der DC-Motor (Gleichstrommotor) ist eine elektrische Maschine, die elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, primär durch eine Drehbewegung. Es gibt moderne Anwendungen, bei denen Elektromotoren durch Modifikationen eine lineare Bewegung erzeugen; diese werden als Linearmotoren bezeichnet.

Gleichstrommaschinen gehören zu den vielseitigsten Antrieben in der Industrie. Aufgrund ihrer einfachen Drehzahlregelung, Stopp-Präzision und Dynamik sind sie eine hervorragende Wahl für Prozessautomatisierungen. Trotz der zunehmenden Verbreitung von AC-Asynchronmotoren, die elektronisch gesteuert werden können, bleiben DC-Motoren in vielen Bereichen unverzichtbar:

• Leistungsanwendungen: Züge und Straßenbahnen
• Präzisionsanwendungen: Werkzeugmaschinen, Mikromotoren etc.

Das Hauptmerkmal des DC-Motors ist die Fähigkeit, die Geschwindigkeit stufenlos vom Leerlauf bis zur Volllast zu regulieren. Sein Hauptnachteil ist der vergleichsweise hohe Wartungsaufwand.

Aufbau einer Gleichstrommaschine

Eine DC-Maschine (Generator oder Motor) besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen:

• Stator: Er dient als mechanisches Gehäuse und enthält die Statorpole, die entweder aus Permanentmagneten oder aus Kupferwicklungen mit Eisenkern bestehen.
• Rotor: Er ist zylindrisch geformt, besitzt ebenfalls Wicklungen und einen Kern und wird über Bürsten mit Strom versorgt.

Für spezielle Anwendungen werden DC-Motoren auch mit Permanentmagnet-Rotoren konstruiert.

Funktionsprinzip

Die Skizze zeigt die Funktionsweise eines DC-Motors mit zwei Polen und einer einfachen Spule auf dem Rotor. Der Motor ist in drei um 90° versetzten Positionen dargestellt.

• 1, 2: Bürsten
• A, B: Kommutatorlamellen
• a, b: Seiten der Spule, verbunden mit den Lamellen A und B

Das Lorentz-Gesetz

Nach dem Lorentz-Gesetz erfährt ein Leiter, der von einem elektrischen Strom durchflossen wird und sich in einem Magnetfeld befindet, eine Kraft senkrecht zur Ebene von Magnetfeld und Stromrichtung. Die Richtung bestimmt sich nach der Drei-Finger-Regel (Rechte-Hand-Regel) mit dem Modul:

• F: Kraft in Newton
• I: Stromstärke in Ampere
• l: Länge des Leiters in Metern
• B: Magnetische Flussdichte in Tesla

Der Rotor besitzt mehrere über den Umfang verteilte Leiter. Während der Drehung wird der Strom jeweils in den passenden Leitern aktiviert. Normalerweise wird ein Gegenstrom auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors angelegt, um die resultierende Kraft zu kompensieren und das Drehmoment zu erhöhen.

Induzierte EMK

Die induzierte Spannung (EMK) entsteht in den Leitern eines Motors durch das Schneiden der magnetischen Kraftlinien. Die Polarität der induzierten Spannung ist entgegengesetzt zur angelegten Motorspannung. Beim Start aus dem Stillstand ist die EMK null, weshalb die Wicklung zunächst wie ein reiner ohmscher Widerstand wirkt.

Anzahl der Bürsten

Die Bürsten schließen alle Spulen kurz, die sich in der neutralen Zone befinden. Bei einer zweipoligen Maschine gibt es zwei neutrale Zonen. Die Gesamtzahl der Bürsten entspricht daher der Anzahl der Pole der Maschine.

Drehrichtung

Die Drehrichtung eines DC-Motors hängt von der relativen Richtung der Ströme in den Induktor- und Ankerwicklungen ab. Eine Umkehrung der Drehrichtung wird durch das Umpolen des Magnetfeldes oder des Ankerstroms erreicht. Werden beide Wicklungen gleichzeitig umgepolt, dreht sich der Motor in die gleiche Richtung weiter.

Die Drehrichtung lässt sich mit der Rechte-Hand-Regel bestimmen: Der Daumen zeigt die Stromrichtung, der Zeigefinger die Richtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger die resultierende Kraftrichtung.

Reversibilität

Motoren und DC-Generatoren bestehen aus denselben Elementen und unterscheiden sich nur in der Anwendung:

• Generatorbetrieb: Wird der Rotor mechanisch gedreht, wird in der Wicklung eine EMK induziert, die elektrische Energie in einen Lastkreis abgibt.
• Motorbetrieb: Wird eine Spannung an die Ankerwicklung angelegt, wandelt die Maschine elektrische Energie in mechanische Arbeit um.

In beiden Fällen unterliegt der Anker der Wirkung des Erregerfeldes.